論文の概要: Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2211.08621v2
• Date: Thu, 17 Nov 2022 04:53:43 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-19 09:50:11.361349
• Title: Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit
• Title（参考訳）: 量子投影雑音下における2つのスピン圧縮光時計の直接比較
• Authors: John M Robinson, Maya Miklos, Yee Ming Tso, Colin J. Kennedy, Tobias Bothwell, Dhruv Kedar, James K. Thompson, Jun Ye
• Abstract要約: 絡み合いに基づく真のエンハンスメントを示すスケーラブルな量子システムの構築は、大きな科学的目標である。 量子非破壊(QND)測定のための集合強結合キャビティQEDを統合した新しい光学プラットフォームを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.6376404422444008
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Building scalable quantum systems that demonstrate genuine performance enhancement based on entanglement is a major scientific goal for fields including computing, networking, simulations, and metrology. The tremendous challenge arises from the fragility of entanglement in increasingly larger sized quantum systems. Optical atomic clocks utilizing a large number of atoms have pushed the frontier of measurement science, building on precise engineering of quantum states and control of atomic interactions. However, today's state-of-the-art optical atomic clocks are limited by the quantum projection noise (QPN) defined by many uncorrelated atoms. Pioneering work on producing spin squeezed states of atoms has shown a path towards integrating entanglement into the best performing clocks. However, to directly demonstrate advantage of quantum entanglement in a working clock we must prevent backaction effects that degrade quantum coherence and introduce uncontrolled perturbations, as well as minimize the influence of technical noise arising from the interrogating clock laser. Here we present a new optical clock platform integrated with collective strong-coupling cavity QED for quantum non-demolition (QND) measurement. Optimizing the competition between spin measurement precision and loss of coherence, we measure a Wineland parameter of -1.8(7) dB for 1.9x10$^4$ atoms, thus verifying the presence of entanglement. Furthermore, a moving lattice allows the cavity to individually address two independent sub-ensembles, enabling us to spin squeeze two clock ensembles successively and compare their performance. This differential comparison between the two squeezed clocks directly verifies enhanced clock stability of 2.0(3) dB below QPN, and 0.6(3) dB above the standard quantum limit (SQL), at the measurement precision level of 10$^{-17}$, without subtracting any technical noise contributions.
• Abstract（参考訳）: エンタングルメントに基づく真のパフォーマンス向上を示すスケーラブルな量子システムの構築は、コンピューティング、ネットワーク、シミュレーション、気象学などの分野における大きな科学的目標である。 この大きな課題は、ますます大きな量子システムにおける絡み合いの脆弱さから生じる。 多数の原子を用いた光原子時計は、量子状態の精密な工学と原子間相互作用の制御に基づいて、測定科学のフロンティアを押し上げてきた。 しかし、今日の最先端の光学原子時計は、多くの非相関原子によって定義される量子射影ノイズ(QPN)によって制限されている。 原子のスピン圧縮状態の生成に関する先駆的な研究は、最も優れたクロックに絡み合いを統合する方法を示している。 しかし、ワーキングクロックにおける量子エンタングルメントの利点を直接証明するには、量子コヒーレンスを劣化させ、無制御の摂動を導入するバックアクション効果を防ぎ、尋問クロックレーザーから発生する技術的ノイズの影響を最小限に抑える必要がある。 ここでは、量子非破壊(QND)測定のための集合強結合キャビティQEDと統合された新しい光時計プラットフォームを提案する。 スピン測定精度とコヒーレンスの損失の競合を最適化し、1.9x10$^4$原子に対する-1.8(7)dBのワインランドパラメータを測定し、絡み合いの存在を検証する。 さらに、移動格子により、キャビティは2つの独立したサブセンスを個別に取り扱うことができ、2つのクロックアンサンブルを連続して回転させ、それらのパフォーマンスを比較することができる。 この2つのクロックの差分比較は、QPNの下の2.0(3)dBと標準量子限界(SQL)の0.6(3)dBの強化クロック安定性を、技術的ノイズの寄与を減らさずに10$^{-17}$の精度で直接検証する。

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